Переломы

Меняется скорость земли при движении вокруг солнца. В какую сторону вращается Земля

Теория о мире, как геоцентрической системе, в былые времена не раз подвергалась критике и сомнениям. Известно, что над доказательством этой теории трудился Галилео Галилей. Это ему принадлежит вошедшая в историю фраза: «И все-таки она вертится!». Но всё же не ему удалось это доказать, как думают многие, а Николаю Копернику, который в 1543 написал трактат о движении небесных тел вокруг Солнца. Удивительно, но, несмотря на все эти доказательства, о круговом ходе Земли вокруг огромного светила, в теории остаются ещё открытые вопросы о причинах, побуждающих её к этому движению.

Причины движения

Средневековье позади, когда люди считали нашу планету неподвижной, и ее движения уже никто не оспаривает. А вот причины, по которым Земля направляется в путь вокруг Солнца, доподлинно неизвестны. Выдвинуто три теории:

инертное вращение;
магнитные поля;
воздействие солнечного излучения.

Существуют и другие, но они не выдерживают критики. Интересно и то, что вопрос: «В какую сторону вращается Земля вокруг огромного небесного светила?», тоже недостаточно корректен. Ответ на него получен, но он точен лишь относительно общепринятого ориентира.

Солнце - это огромная звезда, вокруг которой сосредоточена жизнь в нашей планетарной системе. Все эти планеты совершают ход вокруг Солнца по своим орбитам. Земля движется по третьей орбите. Изучая вопрос: «В какую сторону вращается Земля по орбите?», учёные сделали множество открытий. Они поняли, что сама орбита не идеальна, поэтому наша зелёная планета находится от Солнца в разных её точках на отличных друг от друга расстояниях. Поэтому было высчитано среднее значение: 149 600 000 км.

Ближе всего Земля к Солнцу 3 января, а дальше - 4 июля. С этими явлениями связывают понятия: наименьший и наибольший временной день в году, по отношению к ночи. Изучая всё тот же вопрос: «В какую сторону вращается Земля по своей солнечной орбите?», учёные сделали ещё один вывод: процесс кругового хода происходит и по орбите, и вокруг собственного невидимого стержня (оси). Сделав открытия этих двух вращений, учёные задались вопросами не только причин, вызывающих такие явления, но и о форме орбиты, а также скорости вращения.

Как учёные определили, в какую сторону вращается Земля вокруг Солнца в планетарной системе?

Орбитальную картину планеты Земля описал немецкий астроном и математик В своём фундаментальном труде «Новая астрономия» он называет орбиту эллиптической.

Все объекты на поверхности Земли вращаются вместе с ней, используя общепринятые описания планетарной картины Солнечной системы. Можно сказать, что, наблюдая со стороны севера из космоса, на вопрос: «В какую сторону вращается Земля вокруг центрального светила?», ответ будет следующим: «С запада на восток».

Сравнивая с движениями стрелки в часах - это против её хода. Такую точку зрения приняли относительно Полярной звезды. То же самое увидит человек, находящийся на поверхности Земли со стороны Северного полушария. Представив себя на шаре, движущемся вокруг неподвижного светила, он увидит своё вращение справа налево. Это равносильно ходу против стрелки часов или с запада на восток.

Земная ось

Все это касается и ответа на вопрос: «В какую сторону вращается Земля вокруг своей оси?» - в противоположном ходу стрелки часов. Но если представить себя наблюдателем в Южном полушарии, картина будет выглядеть иначе - наоборот. Но, понимая, что в космосе понятия запада и востока отсутствуют, учёные оттолкнулись от земной оси и Полярной звезды, на которую ось направлена. Это и определило общепринятый ответ на вопрос: «В какую сторону вращается Земля вокруг своей оси и вокруг центра Солнечной системы?». Соответственно Солнце показывается утром из-за горизонта с восточного направления, а скрывается от наших взоров на западе. Интересно то, что многие сравнивают земные обороты вокруг собственного невидимого осевого стержня с вращением волчка. Но при этом земная ось не видна и несколько наклонена, а не вертикальна. Всё это отражается на форме Земного шара и эллиптической орбиты.

Звёздные и солнечные сутки

Кроме ответа на вопрос: «В какую сторону вращается Земля по часовой или против хода стрелки часов?», учёные рассчитали время оборота вокруг своей невидимой оси. Оно составляет 24 часа. Интересно то, что это лишь примерное число. Фактически, полный оборот на 4 минуты меньше (23 ч. 56 мин. 4,1 сек.). Это так называемый звёздный день. Мы же считаем сутки по солнечному дню: 24 часа, так как Земле на своей планетарной орбите каждый день необходимы ещё дополнительные 4 минуты, чтобы вернуться на своё место.

Земля вращается вокруг оси с запада на восток, т. е. против часовой стрелки, если смотреть на Землю с Полярной звезды (с Северного полюса). При этом угловая скорость вращения, т. е. угол, на который поворачивается любая точка на поверхности Земли, одинаков и составляет 15° за час. Линейная скорость зависит от широты: на экваторе она наибольшая – 464 м/с, а географические полюса неподвижны.

Главным физическим доказательством вращения Земли вокруг оси служит опыт с качающимся маятником Фуко. После того как французский физик Ж. Фуко в 1851. г. в парижском Пантеоне осуществил свой знаменитый опыт, вращение Земли вокруг оси стало непреложной истиной. Физическим доказательством осевого вращения Земли являются также измерения дуги 1° меридиана, которая у экватора составляет 110,6 км, а у полюсов – 111,7 км (рис. 15). Эти измерения доказывают сжатие Земли у полюсов, а оно свойственно лишь вращающимся телам. И наконец, третье доказательство – отклонение падающих тел от отвесной линии на всех широтах, кроме полюсов (рис. 16). Причина этого отклонения обусловлена сохранением ими по инерции большей линейной скорости точки А (на высоте) по сравнению с точкой В (у земной поверхности). Падая, предметы отклоняются на Земле к востоку потому, что она вращается с запада на восток. Величина отклонения максимальна на экваторе. На полюсах тела падают вертикально, не отклоняясь от направления земной оси.

Географическое значение осевого вращения Земли исключительно велико. Прежде всего оно влияет на фигуру Земли. Сжатие Земли у полюсов – результат ее осевого вращения. Раньше, когда Земля вращалась с большей угловой скоростью, полярное сжатие было значительнее. Удлинение суток и, как следствие, уменьшение экваториального радиуса и увеличение полярного сопровождается тектоническими деформациями земной коры (разломы, складки) и перестройкой макрорельефа Земли.

Важным следствием осевого вращения Земли является отклонение тел движущихся в горизонтальной плоскости (ветров, рек, морских течений и др.). от их первоначального направления: в северном полушарии – вправо, в южном – влево (это одна из сил инерции, названная ускорением Кориолиса в честь французского ученого, который первым объяснил это явление). По закону инерции каждое движущееся тело стремится сохранить неизменными направление и скорость своего движения в мировом пространстве (рис. 17). Отклонение – результат того, что тело участвует одновременно как в поступательном, так и во вращательном движениях. На экваторе, где меридианы параллельны друг другу, направление их в мировом пространстве при вращении не меняется и отклонение равно нулю. К полюсам отклонение нарастает и становится у полюсов наибольшим, поскольку там каждый меридиан за сутки изменяет свое направление в пространстве на 360°. Сила Кориолиса вычисляется по формуле F = m x 2ω x υ x sin φ, где F – сила Кориолиса, т – масса движущегося тела, ω – угловая скорость, υ – скорость движущегося тела, φ – географическая широта. Проявление силы Кориолиса в природных процессах весьма многообразно. Именно из-за нее в атмосфере возникают вихри разного масштаба, в том числе циклоны и антициклоны, отклоняются от градиентного направления ветры и морские течения, оказывая влияние на климат и через него на природную зональность и региональность; с ней связана асимметрия крупных речных долин: в северном полушарии у многих рек (Днепр, Волга и др.) по этой причине правые берега крутые, левые – пологие, а в южном – наоборот.

С вращением Земли связана естественная единица измерения времени – сутки и происходит смена дня и ночи. Сутки бывают звездные и солнечные. Звездные сутки – промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями звезды через меридиан точки наблюдения. За звездные сутки Земля совершает полный оборот вокруг своей оси. Они равны 23 ч 56 мин 4 с. Звездные сутки используются при астрономических наблюдениях. Истинные солнечные сутки – промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями центра Солнца через меридиан точки наблюдения. Продолжительность истинных солнечных суток изменяется в течение года прежде всего из-за неравномерного движения Земли по эллиптической орбите. Следовательно, они также неудобны для измерения времени. В практических целях пользуются средними солнечными сутками. Среднее солнечное время измеряют по так называемому среднему Солнцу – воображаемой точке, равномерно перемещающейся по эклиптике и совершающей полный оборот за год, как и истинное Солнце. Средние солнечные сутки равны 24 ч. Они длиннее звездных, так как Земля вращается вокруг оси в том же направлении, в котором движется по орбите вокруг Солнца с угловой скоростью около 1° в сутки. Из-за этого Солнце смещается на фоне звезд, и Земле нужно еще «довернуться» примерно на 1°, чтобы Солнце «пришло» на тот же самый меридиан. Таким образом, за солнечные сутки Земля совершает оборот примерно на 361°. Для перевода истинного солнечного времени в среднее солнечное время вводится поправка – так называемое уравнение времени. Его максимальное положительное значение + 14 мин 11 февраля, наибольшее отрицательное –16 мин 3 ноября. За начало средних солнечных суток принимают момент нижней кульминации среднего Солнца – полночь. Такой счет времени называют гражданским временем.

В повседневной жизни средним солнечным временем пользоваться тоже неудобно, поскольку на каждом меридиане оно свое, местное время. Например, на двух соседних меридианах, проведенных с интервалом в 1°, местное время отличается на 4 мин. Наличие в различных пунктах, лежащих на разных меридианах, своего местного времени приводило ко многим неудобствам. Поэтому на Международном астрономическом конгрессе в 1884 г. был принят поясной счет времени. Для этого всю поверхность земного шара разделили на 24 часовых пояса, по 15° каждый. За поясное время принято местное время среднего меридиана каждого пояса. Для перевода местного времени в поясное и обратно существует формула T n – m = N – λ °, где Т п – поясное время, m – местное время, N – число часов, равное номеру пояса, λ ° – долгота, выраженная в часовой мере. Нулевой (он же 24-й) пояс тот, по середине которого проходит нулевой (Гринвичский) меридиан. Его время принято в качестве всемирного времени. Зная всемирное время, легко вычислить поясное время по формуле T n = T 0 + N , где Т 0 – всемирное время. Счет поясов ведется на восток. В двух соседних поясах поясное время отличается ровно на 1 ч. Границы часовых поясов на суше для удобства проведены не строго по меридианам, а по естественным рубежам (рекам, горам) или государственным и административным границам.

В нашей стране поясное время введено с 1 июля 1919 г. Россия расположена в десяти часовых поясах: со второго по одиннадцатый. Однако в целях более рационального использования летом дневного света в нашей стране в 1930 г. специальным постановлением правительства было введено так называемое декретное время, опережающее поясное на 1 ч. Так, например, Москва формально находится во втором часовом поясе, где поясное время исчисляется по местному времени меридиана 30° в. д. Но фактически время зимой в Москве устанавливается по времени третьего часового пояса, соответствующего местному времени на меридиане 45° в. д. Подобная «передвижка» действует на всей территории России, кроме Калининградской области, время в которой реально соответствует второму часовому поясу.

Рис. 17. Отклонение тел, движущихся по меридиану, в северном полушарии – вправо, в южном полушарии – влево

В ряде стран время переводят на один час вперед лишь на лето. В России с 1981 г. на период с апреля по октябрь также вводится летнее время за счет перевода времени еще на час вперед по сравнению с декретным. Таким образом, летом время в Москве фактически соответствует местному времени на меридиане 60° в. д. Время, по которому живут жители Москвы и второго часового пояса, в котором она расположена, называется московским. По московскому времени в нашей стране составляют расписание движения поездов, самолетов, отмечается время на телеграммах.

По середине двенадцатого пояса, примерно вдоль 180° меридиана, в 1884 г. проведена международная линия перемены даты. Это условная линия на поверхности земного шара, по обе стороны от которой часы и минуты совпадают, а календарные даты отличаются на одни сутки. Например, в Новый год в 0 ч 00 мин к западу от этой линии наступает уже 1 января нового года, а к востоку – только 31 декабря старого года. При пересечении границы дат с запада на восток в счете календарных дней возвращаются на одни сутки назад, а с востока на запад одни сутки в счете дат пропускаются.

Смена дня и ночи создает суточную ритмичность в живой и неживой природе. Суточный ритм связан со световыми и температурными условиями. Общеизвестен суточный ход температуры, дневной и ночной бризы и т. д. Очень ярко проявляется суточный ритм живой природы. Известно, что фотосинтез возможен лишь днем, при наличии солнечного света, что многие растения раскрывают свои цветки в разные часы. Животных по времени проявления активности можно подразделить на ночных и дневных: большинство из них бодрствует днем, но многие (совы, летучие мыши, ночные бабочки) – во мраке ночи. Жизнь человека тоже протекает в суточном ритме.

Рис. 18. Сумерки и белые ночи

Период плавного перехода от дневного света к ночной темноте и обратно называется сумерками. В основе их лежит оптическое явление, наблюдаемое в атмосфере перед восходом и после захода Солнца, когда оно еще (или уже) находится под линией горизонта, но освещает небосвод, от которого отражается свет. Продолжительность сумерек зависит от склонения Солнца (углового расстояния Солнца от плоскости небесного экватора) и географической широты места наблюдения. На экваторе сумерки короткие, с увеличением широты возрастают. Различают три периода сумерек. Гражданские сумерки наблюдаются, когда центр Солнца погружается под горизонт неглубоко (на угол до 6°) и ненадолго. Это фактически белые ночи, когда вечерняя заря сходится с утренней зарей. Летом они наблюдаются на широтах 60° и более. Например/в Санкт-Петербурге (широта 59°56" с.ш.) они продолжаются с 11 июня по 2 июля, в Архангельске (64°33" с.ш.) – с 13 мая по 30 июля. Навигационные сумерки наблюдаются, когда центр солнечного диска погружается под горизонт на 6–12°. При этом видна линия горизонта, и с корабля можно определить угол звезд над ней. И наконец, астрономические сумерки наблюдаются, когда центр диска Солнца погружается под горизонт на 12–18°. При этом заря на небе еще препятствует астрономическим наблюдениям слабых светил (рис. 18).

Вращение Земли дает две неподвижные точки – географические полюса (точки пересечения воображаемой оси вращения Земли с земной поверхностью) – и тем самым позволяет построить координатную сетку из параллелей и меридианов. Экватор (лат. aequator – уравнитель) – линия пересечения земного шара плоскостью, проходящей через центр Земли перпендикулярно оси ее вращения. Параллели (греч. parallelos – идущие рядом) – линии пересечения земного эллипсоида плоскостями, параллельными плоскости экватора. Меридианы (лат. meridlanus – полуденный) – линии пересечения земного эллипсоида плоскостями, проходящими через оба ее полюса. Длина 1° меридиана в среднем 111,1 км.

Еще в глубокой древности, наблюдая звездное небо, люди заметили, что днем солнце, а на ночном небе - почти все звезды - время от времени повторяют свой путь. Это наводило на мысль о том, что для этого явления есть две причины. Или происходит на фоне неподвижного звездного неба, или же небо вращается вокруг Земли. Клавдий Птолемей, выдающийся древнегреческий астроном, ученый и географ, как будто решил этот вопрос, убедив всех, что вращаются Солнце и небо вокруг неподвижной Земли. Несмотря на то, что не могла объяснить многих с этим смирились.

Гелиоцентрическая же система, основанная на другой версии, завоевывала свое признание в долгой и драматичной борьбе. Погиб на костре Джордано Бруно, престарелый Галилей признал «правоту» инквизиции, но «...все-таки она вертится!»

Сегодня вращение Земли вокруг Солнца считается вполне доказанным. В частности, движение нашей планеты по околосолнечной орбите доказывается аберрацией звездного света и параллактическим смещением с периодичностью, равной одному году. Сегодня установлено, что направление вращения Земли, точнее, ее барицентра, по орбите совпадает с направлением ее вращения вокруг оси, то есть происходит с запада на восток.

Имеется множество фактов, говорящих о том, что Земля движется в пространстве по очень сложной орбите. Вращение Земли вокруг Солнца сопровождается ее движением вокруг оси, прецессией, нутационными колебаниями и стремительным полетом вместе с Солнцем по спирали в пределах Галактики, которая также не стоит на месте.

Вращение Земли вокруг Солнца, как и других планет, проходит по эллиптической орбите. Поэтому однажды в год, 3 января, Земля находится максимально близко от Солнца и один раз, 5 июля, удаляется от него на самое большое расстояние. Разница между перигелием (147 млн. км) и афелием (152 млн. км), по сравнению с расстоянием от Солнца до Земли, очень мала.

Двигаясь по околосолнечной орбите, наша планета делает 30 км за секунду, и оборот Земли вокруг Солнца завершается в течение 365 д. 6 ч. Это - так называемый сидерический, или звездный, год. Для практического удобства принято считать 365 дней в году. «Добавочные» 6 часов за 4 года в сумме дают 24 часа, то есть еще одни сутки. Эти-то (набежавшие, лишние) сутки и прибавляют к февралю раз в 4 года. Поэтому в нашем календаре 3 года включают 365 дней, а високосный - четвертый год, содержит 366 дней.

Ось собственного вращения Земли расположена под наклоном к орбитальной плоскости в 66,5°. В связи с этим в течение года лучи солнца падают на каждую точку земной поверхности под ин

ыми углами. Таким образом, в разные времена года точки на разных получают в одно и то же время неодинаковое количество света и тепла. Из-за этого в умеренных широтах времена года имеют резко выраженный характер. В то же время в течение всего года солнечные лучи на экваторе падают на землю под одинаковым углом, поэтому и времена года там незначительно отличаются друг от друга.

В астрономии земная орбита – это движение Земли вокруг Солнца со средним расстоянием 149 597 870 км. Земля полностью огибает Солнце каждые 365.2563666 дней (1 звездный год). При данном движении Солнце перемещается по отношению к звездам на 1° в день (или диаметр Солнца или Луны каждые 12 часов) на восток, как это можно увидеть с Земли. Для того чтобы сделать полный оборот вокруг своей оси Земле требуется 24 часа, после чего Солнце возвращается на свой меридиан. Орбитальная скорость Земли при движении вокруг Солнца в среднем равна 30 км в секунду (108 000 км в час), что достаточно быстро, чтобы покрыть диаметр Земли (около 12700 км) за 7 минут или расстояние до Луны (384 000 км) за 4 часа.

При изучении северных полюсов Солнца и Земли было установлено, что Земля вращается по отношению к Солнцу в направлении против часовой стрелки. Также Солнце и Земля вращаются против часовой стрелки вокруг своих осей.

Земная орбита, огибая Солнце, проходит расстояние примерно 940 миллионов км за один год.

История исследования

Гелиоцентризм – теория, гласящая, что Солнце находится в центре Солнечной системы. Исторически сложилась так, что гелиоцентризм противоречит геоцентризму, который гласит, что Земля находится в центре Солнечной системы. В 16 веке Николай Коперник представил полную работу о гелиоцентрической модели вселенной, которая была во многом схожа с геоцентрической моделью Птолемея Альмагеста, представленной во 2 веке. Эта Коперниковская революция утверждала, что ретроградное движение планет только казалось таковым, и не было очевидным.

Влияние на Землю

Из-за наклона оси Земли (также известен как наклон эклиптики) наклон траектории Солнца в небе (как можно увидеть на поверхности Земли) изменяется в течение года. При наблюдении за северной широтой, когда северный полюс наклонен к Солнцу, можно увидеть, что день становится длиннее, а Солнце восходит выше. Такое положение приводит к увеличению средних температур, поскольку увеличивается количество солнечного света, достигающего поверхность. Когда северный полюс отклоняется от Солнца, то в целом температура становится прохладнее. В крайних случаях, когда солнечные лучи не достигают северного полярного круга, в определенный период днем полностью отсутствует свет (это явление называется полярной ночью). Такие изменения в климате (из-за направления наклона оси Земли) происходят в зависимости от сезонов.

События на орбите

По одному астрономическому соглашению четыре сезона определяются солнцестоянием – орбитальной точкой с максимальным наклоном оси к Солнцу или от него и равноденствием, при котором направление наклона и направление Солнца перпендикулярны друг другу. В северном полушарии зимнее солнцестояние происходит 21 декабря, летнее солнцестояние – 21 июля, весеннее равноденствие – 20 марта и осеннее равноденствие 23 сентября. Наклон оси в южном полушарии полностью противоположен ее направлению в северном полушарии. Поэтому сезоны на юге противоположны северным.

В наше время Земля проходит перигелий 3 января, а через афелий 4 июля (для других эпох см. прецессии и циклы Миланковича). Изменение направления Земли и Солнца приводит к увеличению солнечной энергии на 6,9%, которая достигает Земли в перигелии относительно афелия. Поскольку южное полушарие наклоняется к Солнцу примерно в то же время, когда Земля достигает самой ближайшей точки от Солнца, в течение года южное полушарие получает немного больше солнечной энергии, чем северное полушарие. Однако такой эффект менее значителен, чем общее изменение энергии из-за наклона оси: большинство получаемой энергии поглощают воды южного полушария.

Сфера Хилла (гравитационная сфера влияния) Земли в радиусе составляет 1500 000 километров. Это максимальное расстояние, где гравитационное влияние Земли сильнее, чем сила более отдаленных планет и Солнца. Объекты, вращающиеся вокруг Земли, должны попадать в данный радиус, иначе они могут стать несвязанными из-за гравитационного волнения Солнца.

На следующей диаграмме показано соотношение между линией солнцестояния и линией аспиды эллиптической орбиты Земли. Орбитальный эллипс (эксцентриситет преувеличен для эффекта) показан на шести изображениях Земли в перигелии (периапсида-ближайшая точка к Солнцу) с 2 по 5 января: здесь также можно увидеть мартовское равноденствие с 20 по 21 марта, точку июньского солнцестояния с 20 по 21 июня, афелий (апоцентр – дальняя точка от Солнца) с 4 по 7 июля, сентябрьское равноденствие с 22 по 23 сентября и декабрьское солнцестояние с 21 по 22 декабря. Обратите внимание, что на диаграмме показана преувеличенная форма земной орбиты. В действительности путь земной орбиты не такой эксцентрический, как показано на диаграмме.

Меня всегда вдохновляла и удивляла система, охватывающая весь космос. В особенности, мой интерес пал на нашу родную и любимую планету. Земля постоянно находится в состоянии вращательного движения вокруг Солнца, словно волчок на столе. Но, в отличие от волчка, угловая скорость Земли не зависит от силы, ведь она постоянна. Но какое время требуется нашей планете для совершения одного оборота вокруг большого раскаленного шара?

Какое время требуется Земле для оборота вокруг Солнца

Прежде чем дать ответ на поставленный вопрос, следует выяснить:

Точную траекторию движению Земли.
Связь между вращением планеты и временами года.
Влияние наклона между планетой и вертикалью.

Итак, наша планета постоянно крутится вокруг своей оси. Но, кроме того, она одновременно вращается и вокруг одной из самых больших и близких звезд. Путь, которого придерживается Земля во время вращения, не является окружностью, ведь она слегка вытянута. Из этого следует, что за двенадцать месяцев Земля находится на чуть более близкой дистанции, и также на более дальней ровно два раза. (первый случай мне более симпатичен). Вы, конечно, подумали, что из-за этого случаются изменения времен года. Но, к сожалению, это не так. Главным виновником этого явления является все тот же угол между центром Земли и вертикалью. Дело в том, что во время движения Земли этот «дефект» остается.

Изменение времен года

Представьте, что мимо Солнца пролетает наша планета, северная часть которой находится лицом к лицу со звездой. Солнце отвечает этой стороне своим теплом и светом. Сейчас там летние беззаботные каникулы. А край, предназначенный для юга, практически скрыт от Солнца. Там сейчас преобладает холод и новогоднее настроение. Но путь нашей планеты все еще продолжается. И вот уже все по-другому. Юг и север меняются местами. Медведь, находившийся в некогда теплом климате, вынужден тщательно подготовиться к спячке.

Один лишь уклон дает нашей планете приближаться к Солнцу на одно и то же расстояние. Это пора золотой осени и цветущей весны. Соответственно, за этим явлением следует другое немаловажное следствие, а именно - четырехкратное изменение времени года.